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原作：Nadia Drake

翻译：杨文忠

校译：陈晓倩

编排：黄卓尔

后台：李子琦

科学家们对于美丽的土星环的形成时间、以至它们是如何形成的意见不一。但这些理论有一点是相同的，那就是“暴力”。

2013 年卡西尼号探测器从土星极地上方拍摄的一张图片显示，土星环并没有与土星相交。在同一张图片中，当土星环被去掉，土星就失去了一些它原本的魅力。

图源：卡西尼号 （NASA/JPL/CALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE/CORNELL）; 右侧图片显示被删掉了土星环后的土星

缺了土星环，土星看起来真的很无聊。

这不废话嘛！就像上图博主 Jason Kottke对 NASA 的照片所做的那样，如果土星是一只手的话，土星环就好比一只手镯。手镯被去掉后，土星就变成了我们太阳系中最平淡无奇的星球。当然，它的两极有一个六角形漩涡和一些凉爽的气旋，但它的香草色表面缺乏木星水彩画般云带的活力、海王星深邃鲜亮的蓝色和金星令人窒息的昏天暗地。

甚至锈迹斑斑的火星看起来也比它有趣。

值得庆幸的是，在过去 45 亿年的某个时刻，宇宙对地球的这位邻居进行了升级：宇宙在土星周围安放了一个大而明亮的冰环系统。但科学家们对土星环何时形成，甚至如何形成都意见不一，几十年来一直如此。事实上，作为太阳系的标志性形象，土星环的起源仍然是一个未解之谜。

康奈尔大学天体物理学家玛丽亚姆穆·塔米德（ Maryame El Moutamid ）说：“土星是在太阳系形成过程中的某个时刻形成的，但我们不知道这些土星环是同时形成的，还是在很久以后形成的。它如此有趣的原因不仅在于了解土星环本身，还在于了解土星系统——我们有一个土星、一个土星环系统和一个土星卫星系统，我们认为土星环和卫星之间存在着联系。”

这个谜团特别迷人。在大多数情况下，科学家们对我们太阳系最壮观景象的起源有很深的了解，例如火星上有一道使科罗拉多大峡谷相形见绌的的深谷，木星有翻腾的大红斑，月球有巨大的南部盆地。但是土星环嘛……

“土星环是独一无二的，”美国宇航局艾姆斯研究中心的杰夫·库齐 (Jeff Cuzzi)说。“这样的大质量巨环绝无仅有，而且非常非常明亮，这很不寻常。所以这是一个谜。

左图：自第一批土星画像以来，对土星的描绘已经取得了长足的进步：先是伽利略在 1610 年看到的景象（左图），然后是 1616 年用更先进的望远镜看到的景象。（世界历史档案馆/ALAMY STOCK PHOTO 摄 ）

右图：天文学家乔瓦尼·卡西尼 (Giovanni Cassini) 的渲染图，发表于 1676 年。（ARCHIVIO GBB /ALAMY STOCK PHOTO 摄 ）

思考这个问题的科学家往往会分成两个阵营。一组认为土星环一开始就存在，它们在 40 多亿年前与土星一起形成，而且土星从来都不是一个无聊乏味的世界。

另一组怀疑这些环要年轻得多，是在过去几亿年内形成的。根据该理论，土星环非常年轻，如果恐龙有太空探索计划，它们就会通过望远镜看到一颗没有环的土星。如果恐龙有这么发达的技术，或许就可以避免被一颗任性的小行星抹杀。

“这两种情况都有很好的论据，但它们也有不足之处，”玛丽亚姆穆·塔米德说。

尽管时间相隔数十亿年，但这两个起源故事都有一个共同点：暴力。土星环的产生需要对冰冷物体（也许是彗星，也许是卫星）进行灾难级别的破坏：物体距离土星越来越近，直到土星的引力把它撕成无数冰块。这些碎块中有一小部分比房子还大，其他的则无限小，大多数是由明亮的、原始的水冰组成的，但土星环中有一道冰环要比其他的暗些。随着时间的推移，这些破碎的残余物逐渐构成了我们今天看到的环形系统，它横跨约 170,000 英里，但厚度却只有约 30 英尺。

土星环圆盘

科学家按照发现顺序为土星各环分配了一个字母，它们之间的缝隙和分界则以天文学家的名字命名。像潘、阿特拉斯、普罗米修斯和潘多拉这样的小“牧羊人”卫星在明亮的环内运行，它们的轨道构成了一条条缝隙。

Matthew W. Chwastyk, NGM Staff

图源：Sources: NASA; JPL/CalTECH; SSI

持“老环”理论的人认为，这场灾难发生在土星形成的早期。（从科学理论上讲，某个行踪神秘的物体更有可能在太阳系年轻时就进入了行星的引力范围。）其中一种说法是，巨行星并不是在我们今天看到的地方诞生的；相反，它们迁移到当前位置并在原本聚集在这里的小星球中引发了一连串不稳定的反应，让它们最终像天上的乒乓球一样被扔的到处都是。

在太阳系初期的混乱时期，一个冰冷的天体最终在土星周围形成一个光环并不难。“老环”理论还预测，土星的一些卫星是由破裂的环内物质形成的，这些环内物质飞散到离土星足够远的地方，可以自行形成团块。因此，今天盘旋在光环边缘附近的一些卫星是由相同的物质形成的。

“老实说，如果不采取中立态度，我认为早期形成比晚期形成更有道理，”玛丽亚姆穆·塔米德说。“这是到目前为止我的观点，但如果有其他人能说服我，我也很高兴。”

问题是，土星冰环的颜色过于白净，不可能有数十亿年的历史——或者至少这是“年轻环”阵营关注的一个论点。它被称为“污染论点”，问题的答案取决于外太阳系中暗色尘埃与光环碰撞并使光环变暗的速度。简而言之，大约40亿年的绵绵不绝的宇宙雨应该会使土星环看起来像木星环一样暗淡且不起眼，除非环很大，或者它们很年轻。2017 年，科学家们使用美国宇航局的卡西尼号探测器测量了土星环的质量，发现它并没有足够的物质吸收太阳系的尘埃，所以它看起来仍然和崭新的一样。卡西尼号还收集了有关土星系统中最终尘埃数量的数据，这一结果也支持了土星环很年轻的观点。

然而，一个大到足以在破碎后形成光环的天体极不可能进入土星的范围内——除非在早期太阳系仍处于混乱之时。

航海者一号于 1980 年拍摄了第一张土星照片。

加州大学圣克鲁兹分校 REGENTS 摄

如果土星没有粉碎一个闯入的物体，而是摧毁了它自己的一颗卫星，会怎样？最近的两个理论表明——正如西班牙画家弗朗西斯科·德·戈雅在一幅血腥杰作中所描绘的那样，土星实际上吞噬了它的一个孩子。

2016年提出的第一个理论表明，大约一亿年前，土星系统运行至一个位置，在这个位置上，太阳的引力将其内层卫星推向同一轨道，最终将碰撞后散开的碎片形成了环固定在土星周围。这个观点也解释了几个土星卫星的表面看起来很年轻的原因，因为这起环形成期间可能摧毁一些卫星，又重新形成了卫星。

2022 年底产生的第二个理论，主要将环的形成归因于正在慢慢远离土星的巨型卫星土卫六。几亿年前，这颗缓缓远离土星的土卫六与科学家称之为“Chrysalis”的假想卫星产生了共振——也就是说，对它施加了引力影响。结果，Chrysalis被抛向土星并被撕裂成环。（这个理论也可以解释土星奇怪的倾斜角度，因为它与海王星轨道产生了引力相互作用。）

不用说，有些人这两种情况都不接受。但在库齐看来，“辩论有利于科学。不能令每个人都信服，这不是一件坏事。”

即使恒星爆炸，流星划过我们的天空，我们也一贯认为宇宙是永恒不变的，但年轻的土星环挑战了这个简单的想法。太阳系最熟悉的景象之一——壮丽的带环土星可能古往今来并不总是一个样，这点令人吃惊，和我们发现参宿四恒星急剧变暗改变猎户座天体轮廓时的情况类似。正如库齐所说，我们在夜空中熟悉和喜爱的天体发生这样的事情实在是匪夷所思。

然而对我来说，年轻的土星环也表明地球上的生命很幸运。人类，一种能够制造望远镜的物种，竟然能在土星环这一壮丽的宇宙奇观正在形成之际，意外经由进化产生，真是神妙之极。

牧夫新媒体编辑部

责任编辑：陈玮菁

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来源：牧夫天文

编辑：万象

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